1.2 图像工程概述

对图像的利用由来已久，用计算机处理和分析数字图像的历史可追溯到1946年世界上第一台电子计算机的诞生。虽然20世纪50年代的计算机还满足不了处理大量图像的要求，但20世纪60年代研制成功的第3代计算机，以及快速傅里叶变换算法的发现和应用使得对图像的某些计算已可实际实现。从20世纪70年代开始，利用计算机对图像进行加工利用逐渐推广。到20世纪80年代，许多能获取3-D图像的设备和处理分析3-D图像的系统研制成功。在20世纪90年代，图像技术已逐步涉及人类生活和社会发展的各个方面。以当时得到广为宣传和应用的多媒体为例，图像在其中已占据了最主要的地位。进入21世纪，图像技术得到了进一步的发展和应用，在改变人们的生活方式以及社会结构等方面都起到了重要作用。

图像技术在广义上是各种与图像有关的技术的总称。目前人们主要研究的是数字图像，主要应用的是计算机图像技术。这包括利用计算机和其他电子设备进行和完成的一系列工作、基于它们的结果所做的判断决策和行为规划，以及为完成上述功能而进行的硬件设计及制作等。

图像技术的种类很多，且与多门学科相关，下面先给出一个全景介绍。

1.2.1 图像工程的三个层次

所有图像技术可根据其特点分为三个既有联系又有区别的层次（见图1.2.1）：图像处理、图像分析和图像理解。这三者的有机结合称为图像工程，是一门内容非常丰富的学科。换句话说，图像工程是既有联系又有区别的图像处理、图像分析及图像理解三者的有机结合，另外还包括对它们的工程应用。

图1.2.1　图像工程三个层次示意图

图像处理着重强调在图像之间进行的转换。虽然人们常用图像处理泛指各种图像技术，但比较狭义的图像处理主要关注的是输出图像的视觉观察效果，这包括对图像进行各种加工调整以改善图像的视觉效果并有利于后续高层加工的进行；或对图像进行压缩编码，在保证所需视觉感受的基础上减少所需存储空间或传输时间，满足给定传输通路的要求；或给图像增加一些附加信息但又不影响原始图像的外貌等。

图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息从而建立对图像中目标的描述。如果说图像处理是一个从图像到图像的过程，则图像分析是一个从图像到数据的过程。这里数据可以是对目标特征测量的结果，或是基于测量的符号表示。它们描述了图像中目标的特点和性质。

图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对整幅图像内容含义的理解以及对原来成像客观场景的解释，从而可以让人们做出判断，并指导和规划行动。如果说图像分析主要是以观察者为中心研究客观世界（主要研究可观察到的事物），那么图像理解在一定程度上则是以客观世界为中心，并借助知识、经验等来把握和解释整个客观世界（包括没有直接观察到的事物）。

由上所述，图像处理、图像分析和图像理解在抽象程度和数据量上各有特点，操作对象和语义层次各不相同。图像处理是比较低层的操作，它主要在图像的像素层次上进行处理，处理的数据量非常大。图像分析则进入了中层，分割和特征提取把原来以像素描述的图像转变成比较简洁的对目标的描述。图像理解主要是高层操作，操作对象基本上是从描述中抽象出来的符号，其处理过程和方法与人类的思维推理有许多类似之处。另外，由图1.2.1可见，随着抽象程度的提高数据量是逐渐减少的。具体说来，原始图像数据经过一系列的处理过程逐步转化得更有组织并被更抽象地表达。在这个过程中，语义不断引入，操作对象发生变化，数据量得到了压缩。另一方面，高层操作对低层操作有指导作用，能提高低层操作的效能。

1.2.2 相关学科

图像工程是一门系统地研究各种图像理论、技术和应用的新的交叉学科。从它的研究方法来看，它与数学、物理学、生理学、心理学、电子学、计算机科学等许多学科可以相互借鉴；从它的研究范围来看，它与模式识别、计算机视觉、计算机图形学等多个专业又互相交叉。另外，图像工程的研究进展与人工智能、神经网络、遗传算法、模糊逻辑等理论和技术都有密切的联系，同时它的发展应用与医学、遥感、通信、文档处理和工业自动化等许多领域也是不可分割的。

图1.2.2所示是图像工程与几个密切相关学科和领域的联系和区别，从图中可以看到图像工程三个层次各自不同的输入/输出内容以及它们与计算机图形学、模式识别、计算机视觉等学科的关系。图形学原本指用图形、图表、绘图等形式表达数据信息的科学，而计算机图形学研究的就是如何利用计算机技术来产生这些形式。如果将其与图像分析对比，两者的输入对象和输出结果正好对调。计算机图形学试图根据非图像形式的数据描述来生成（逼真的）图像。另一方面，（图像）模式识别与图像分析则比较相似，只是前者试图把图像分解成可用符号较抽象地描述的类别。它们有相同的输入，而不同的输出结果可以比较方便地进行转换。至于计算机视觉，则主要强调用计算机实现人的视觉功能，这中间实际上用到图像工程三个层次的许多技术，但目前的研究内容主要与图像理解相结合。

图1.2.2　图像工程与相关学科和领域的联系和区别

1.2.3 图像处理分析系统的组成

一个基本的图像处理分析系统的构成可由图1.2.3来表示。图中各模块都有特定的功能，分别是采集（成像）、合成、处理分析、显示、打印、通信和存储。其中采集和合成构成了系统的输入，而系统的输出包括显示和打印。需要指出的是，并不是每一个实际的图像处理分析系统都包括所有这些模块。另外，对一些特殊的图像处理分析系统，还可能包括其他模块。

图1.2.3　图像处理分析系统的构成示意图

在图1.2.3中，虚线框表示的模块与图像处理分析系统相关，但对它们的介绍主要是其他一些书籍的内容（如本章末的总结与复习中所介绍的），本书就不考虑了。在实线框表示的模块中，处理分析模块是本书的中心内容，将在其后各章详细地进行介绍。下面两节先对其他几个实线框模块，特别是对每个模块完成各自功能所需的一些特定设备分别给予简单介绍，而后面章节中就不再解释了。